付華，劉華偉

（河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

游樂(lè)設(shè)施作為特種設(shè)備中的一種，由于起步較晚，在生產(chǎn)與設(shè)計(jì)上還存在一些問(wèn)題。國(guó)內(nèi)發(fā)生的多起游樂(lè)設(shè)施事故大多與束縛裝置有關(guān)[1]，2017年以來(lái)大型游樂(lè)設(shè)施40%以上傷亡事故與束縛裝置有關(guān)[2]。神舟飛碟是國(guó)內(nèi)較新穎的大型游樂(lè)設(shè)施，此設(shè)備座艙繞轉(zhuǎn)盤(pán)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿著圓弧軌道按照慣性周期性左右滑行。飛碟在運(yùn)行過(guò)程中,乘客受到重力、離心力、慣性力等作用，在一定條件下，這些力可以使乘客脫離座椅，束縛裝置能夠約束乘客在座椅上不被甩出，所以，乘客束縛裝置選型的合理性，與乘客的人身安全密切相關(guān)[3]。結(jié)合神舟飛碟的實(shí)際運(yùn)行情況，基于動(dòng)力學(xué)分析理論建立神舟飛碟整機(jī)的模型以進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算設(shè)備運(yùn)行周期內(nèi)乘客的運(yùn)行加速度，并與理論計(jì)算結(jié)果比較。依據(jù)乘客加速度的大小確定設(shè)計(jì)加速度的分區(qū)，對(duì)照相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)乘客束縛裝置進(jìn)行選型和校驗(yàn)[4]。

1 加速度和束縛裝置

1.1 乘客與座椅的作用力

游樂(lè)設(shè)施在運(yùn)行過(guò)程中，乘客承受重力、離心力和慣性力等，這些力促使乘客壓緊或脫離座椅。這些力在一定范圍內(nèi)，將乘客壓緊座椅的力越大，乘客不易脫出座椅，相反脫離的力越大越危險(xiǎn)，越需要乘客束縛裝置。乘客與座椅的脫離趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致乘客處于危險(xiǎn)之中，因此分為以下幾種情況進(jìn)行說(shuō)明：①乘客后背與座椅靠背之間，如果存在壓緊力，相對(duì)安全，不易發(fā)生乘客束縛裝置失效方面事故。如果力將二者分離，是危險(xiǎn)的。②乘客臀部與椅墊面之間，如果有作用存在壓緊力，相對(duì)安全，不易發(fā)生乘客束縛裝置失效方面事故。如果有作用力將二者分離，是危險(xiǎn)的。③考慮摩擦力與壓力成正比。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，乘客自身的加速度和設(shè)備座椅之間存在的力學(xué)關(guān)系可以視作加速度及慣性加速，可以表示為設(shè)備使用過(guò)程中真實(shí)的加速度與其存在的重力加速度的比值，其力學(xué)方向與慣性加速及重力相一致，通過(guò)該力學(xué)關(guān)系可以顯示出設(shè)備運(yùn)行中乘客的受載狀態(tài)以及運(yùn)行的態(tài)勢(shì)，從而能夠獲得束縛需求。

1.2 束縛裝置選型依據(jù)

束縛裝置包括安全壓杠、安全帶和擋桿等。當(dāng)游樂(lè)設(shè)施運(yùn)行時(shí)，乘客束縛裝置確保乘客不會(huì)被甩出、滑出。設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下，由于乘客自重原因?qū)?huì)形成一定的慣性力，并且將作用于束縛裝置和設(shè)備座椅，在此過(guò)程中，若慣性力大于臨界值不僅會(huì)造成束縛裝置無(wú)法起到作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成對(duì)乘客的傷害。因此，在進(jìn)行束縛裝置的選型時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以保障裝置的安全性以及乘客的人身安全。根據(jù)《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》(GB 8408-2018)規(guī)定，x、z方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將呈現(xiàn)為加速組合的形式，并以不同加速度區(qū)等級(jí)與設(shè)施中束縛裝置相互對(duì)應(yīng)。在設(shè)施實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中，其危險(xiǎn)程度隨著加速度區(qū)域等級(jí)的增加而提升，而相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化措施也應(yīng)隨之提高，從而為乘客提供最佳的保障[5]。

2 加速度的理論計(jì)算

2.1 飛碟運(yùn)行原理

神舟飛碟制動(dòng)后，乘客通過(guò)站臺(tái)上下座椅，飛碟座椅固定在轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣部位，乘客被安全壓杠和安全帶束縛在座位上。神舟飛碟運(yùn)行是由滑行擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)兩種運(yùn)行形式組成：①滑行擺動(dòng)系統(tǒng)：輪架兩側(cè)通過(guò)4組輪系，支承整個(gè)擺動(dòng)部件（包括輪架、轉(zhuǎn)盤(pán)和座椅），滑行驅(qū)動(dòng)部分由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、皮帶輪、驅(qū)動(dòng)軸、輪胎組成，輪架上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)端部安裝主動(dòng)皮帶輪，通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝在驅(qū)動(dòng)軸上的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。②轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：轉(zhuǎn)盤(pán)底部為輪架部件，轉(zhuǎn)盤(pán)與輪架之間通過(guò)回轉(zhuǎn)支承連接，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分由電機(jī)、減速器、小齒輪、回轉(zhuǎn)支承組成?；剞D(zhuǎn)支承外側(cè)為齒圈結(jié)構(gòu)，并與小齒輪嚙合，電機(jī)、減速機(jī)安裝在輪架上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)小齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)。

2.2 加速度計(jì)算

神舟飛碟工作時(shí)，乘客和座椅一邊繞回轉(zhuǎn)中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在底部輪胎摩擦驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，重力加速度的方向始終向下，離心加速度方向背離旋轉(zhuǎn)中心軸向外[6]。飛碟的擺動(dòng)半徑R=12m，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)半徑r=2.8m，回轉(zhuǎn)角速度ω=0.73rad/s。運(yùn)行過(guò)程中的加速度示意圖如圖1。

圖1 加速度示意圖

飛碟擺動(dòng)時(shí)最大擺角θ=45°，飛碟轉(zhuǎn)盤(pán)外側(cè)乘客相對(duì)于擺動(dòng)軸線(xiàn)的最大夾角α=25°。飛碟飛到最高點(diǎn)后，在進(jìn)行下落運(yùn)動(dòng)時(shí)，其驅(qū)使原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩將不再做功，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算可得：

式中：R表示設(shè)施擺動(dòng)部件的質(zhì)心半徑（單位：m）。由于設(shè)施的擺動(dòng)部件在此狀態(tài)下僅受到重力的作用，其機(jī)械能守恒可以表示為：

式中：m表示設(shè)施擺動(dòng)部件以及乘客等自身的質(zhì)量（單位：kg）；g表示標(biāo)準(zhǔn)重力加速度值（本研究中取值為：9.8m/s2）；v表示飛碟進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)所在方向的瞬時(shí)線(xiàn)速度（單位：m/s）。飛碟在進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)將圍繞軌道圓弧中心線(xiàn)做圓周運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程中其向心力可以表示為：

轉(zhuǎn)盤(pán)擺動(dòng)到擺角最大位置時(shí)，最上端的乘客和座椅是擠壓趨勢(shì)狀態(tài)，此時(shí)x向加速度最大；最下端的乘客和座椅是脫離趨勢(shì)狀態(tài)，此時(shí)x向加速度最小，考慮高點(diǎn)和低點(diǎn)乘客受擺動(dòng)軸線(xiàn)的夾角的影響，以及乘客轉(zhuǎn)動(dòng)離心加速度的影響，由三角函數(shù)可知：

3 束縛裝置的選型

通過(guò)以上理論分析和動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算可知，束縛裝置鎖緊位置要能固定或可調(diào)節(jié)，乘客或操作員可鎖緊和打開(kāi)。飛碟每個(gè)座艙有一套背部壓杠裝置和安全帶，壓杠的解鎖裝置位于座椅后下方，鎖緊裝置可以根據(jù)乘客體型進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)相互獨(dú)立的雙棘齒嚙合鎖緊，僅操作人員才能用腳打開(kāi)鎖緊裝置，安全帶為冗余設(shè)置，增加了束縛裝置的安全性。綜上，飛碟的束縛裝置設(shè)計(jì)選型滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以22座神舟飛碟為研究對(duì)象，在對(duì)飛碟運(yùn)行特性進(jìn)行詳細(xì)理論分析基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，給出了神舟飛碟乘客三向加速度的計(jì)算結(jié)果，并運(yùn)用有限元軟件ANSYS Workbench軟件建立神舟飛碟運(yùn)行力學(xué)模型，通過(guò)仿真計(jì)算得出乘客三向加速度的時(shí)間歷程曲線(xiàn)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明：①乘客加速度的仿真曲線(xiàn)與理論計(jì)算相比，最大誤差小于7%，驗(yàn)證了建模、仿真的正確性和合理性。②用乘客x、z方向加速度作為分區(qū)和束縛裝置選型依據(jù)，確定與飛碟乘客加速度對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)加速度的區(qū)域?yàn)閰^(qū)域2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這表明飛碟的束縛裝置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文為其他游樂(lè)設(shè)施乘客加速度的計(jì)算和束縛裝置的選型校驗(yàn)提供了參考。